軟開(kāi)關(guān)同步升降壓變換器的研究

1 工作原理
圖1所示的是具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的同步升降壓變換器。其兩個(gè)開(kāi)關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，并設(shè)有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，如圖2所示。通常設(shè)計(jì)中電感上的電流始終為一個(gè)方向，如圖2中iL波形所示?？紤]到開(kāi)關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時(shí)間，一個(gè)周期可以分為5個(gè)階段，各個(gè)階段的等效電路如圖3所示。下面簡(jiǎn)單介紹電感電流不改變方向情況下的同步升降壓變換器的工作原理。在這種情況下，S2可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但是S1只能工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

1)階段1[to~t1]S1導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流線性增加。在t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，該階段結(jié)束。
2)階段2[tl～t2] S1關(guān)斷后，電感電流對(duì)S1的結(jié)電容進(jìn)行充電，對(duì)S2的結(jié)電容進(jìn)行放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
3)階段3[t2～t3] 當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)，這也就為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
4)階段4[t3~t4] t3時(shí)刻S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開(kāi)通。電感L上的電流又流過(guò)S2。L上承受輸出電壓，由于該結(jié)構(gòu)的Buck-Boost變換器的輸出電壓為負(fù)，所以電感L上的電流線性減小，直到S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
5)階段5[t4-ts] 此時(shí)電感L上的電流方向仍然為正，所以，該電流只能轉(zhuǎn)移到S2的寄生二極管上，而無(wú)法對(duì)S1的結(jié)電容進(jìn)行放電。因此，S1是工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)的。

接著S1導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)周期。從以上的分析可以看到，S2實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，但是S1并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。其原因是S2關(guān)斷后，電感上的電流方向是正的，無(wú)法對(duì)S1的結(jié)電容進(jìn)行放電。但是，如果將L設(shè)計(jì)的足夠小，讓電感電流在S2關(guān)斷時(shí)為負(fù)，如圖4所示，就可以對(duì)S1的結(jié)電容進(jìn)行放電而實(shí)現(xiàn)S1的軟開(kāi)關(guān)了。

在這種情況下，一個(gè)周期可以分為6個(gè)階段，各個(gè)階段的等效電路如圖5所示。其工作原理描述如下。
1)階段1[to~t1] S1導(dǎo)通，L上承受輸入電壓，L上的電流正向線性增加，從負(fù)值變?yōu)檎怠Ｔ趖1．時(shí)刻，S1關(guān)斷，該階段結(jié)束。
2)階段2[t1~t2]S1關(guān)斷后，電感電流為正，對(duì)S1的結(jié)電容進(jìn)行充電，對(duì)S2的結(jié)電容放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
3)階段3[t2～t3] 當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，這就為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。
4)階段4[t3～t4] t3時(shí)刻S2的門極變?yōu)楦唠娖剑琒2零電壓開(kāi)通。電感L上的電流又流過(guò)S2。L上承受輸出電壓，由于該結(jié)構(gòu)的Buck―Boost變換器的輸出電壓為負(fù)，所以電感L上的電流線性減小，直到變?yōu)樨?fù)值，然后S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
5)階段5[t4～t3] 此時(shí)電感L上的電流方向?yàn)樨?fù)，正好可以對(duì)S1的結(jié)電容進(jìn)行放電，對(duì)S2的結(jié)電容進(jìn)行充電。S1的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，直到下降到零，該階段結(jié)束。
6)階段6[t5～t6] 當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管就導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就是為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。

接著S1在零電壓條件下導(dǎo)通，進(jìn)人下一個(gè)周期?？梢钥吹剑谶@種方案下，兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2都可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

2 軟開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)
以上用同步整流加電感電流反向的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)升降壓變換器的軟開(kāi)關(guān)，其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的難易程度并不相同。電感L上電流的峰峰值可以表示為

式中：D為占空比；
T為開(kāi)關(guān)周期。
電感L上電流的平均值可以表示為

式中：Io為輸出電流。
所以電感上電流的最大值和最小值可以表示為

將式(1)和式(2)代入式(3)和式(4)可得

從上面的原理分析中可以看到S1的軟開(kāi)關(guān)條件是由1min對(duì)S2的結(jié)電容充電，對(duì)S1的結(jié)電容放電來(lái)創(chuàng)造的；而 S2的軟開(kāi)關(guān)條件是由Imas對(duì)S1的結(jié)電容充電，對(duì)S2的結(jié)電容放電來(lái)創(chuàng)造的。通常滿載情況下│Imax》│Imin│。所以S1和S2的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)難易程度也不同，S1要比S2難得多。這里將S1稱為弱管，S2稱為強(qiáng)管。

強(qiáng)管S2的軟開(kāi)關(guān)極限條件為L(zhǎng)和S1的結(jié)電容C1和S2的結(jié)電容G2諧振，能讓C2上電壓諧振到零的條件，可表示為

但在實(shí)際中式(8)非常容易滿足，而死區(qū)時(shí)間也不可能非常大，因此，可以近似認(rèn)為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電感L上的電流保持不變，即為一個(gè)恒流源對(duì)對(duì)S2的結(jié)電容充電，對(duì)S1的結(jié)電容放電。在這種情況下的ZVS條件稱為寬裕條件，表達(dá)式為

式中：tdead2為S2開(kāi)通前的死區(qū)時(shí)間。

同理，弱管S1的軟開(kāi)關(guān)寬裕條件為

在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中，強(qiáng)管的軟開(kāi)關(guān)非常容易實(shí)現(xiàn)，所以關(guān)鍵是設(shè)計(jì)弱管的軟開(kāi)關(guān)條件。首先確定可以承受的最大死區(qū)時(shí)間，然后根據(jù)式(9)推算出電感量L。在能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的前提下，L不宜太小，以免造成開(kāi)關(guān)管上過(guò)大的電流值，從而使得開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗過(guò)火。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為200KHz，功率為60W的電感電流反向的同步升降壓變換器的樣機(jī)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方法的正確性。

該變換器的主要參數(shù)和元器件規(guī)格如下：
輸入電壓Vin 28V；
輸出電壓V。 -20V；
輸出電流，I。 O～-3A；
工作頻率f 200 kHz；
主開(kāi)關(guān)S1，S2 IRFZ44；
電感L 8μH。

圖6(a)、(b)、(c)是滿載(-3A)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形從圖6(a)可以看到電感L上的電流在DT或者(1一D)T時(shí)段里都會(huì)反向，也就是創(chuàng)造了S1軟開(kāi)關(guān)的條件。從圖6(b)、(c)可以看到兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2都實(shí)現(xiàn)了ZVS。但是從S1及S1漏源電壓的下降斜率來(lái)看S1比S2的ZVS條什要差，這就是強(qiáng)管和弱管的差異。

圖7給出了該變換器在不同負(fù)載電流下的轉(zhuǎn)換效率。最高效率達(dá)到了94. 8％，滿載效率為94．2％。

4 結(jié)語(yǔ)
本文研究了一種軟開(kāi)關(guān)司步升降壓變換器。Potentia Semi數(shù)字電源管理控制器適用于復(fù)雜電源系統(tǒng)該方案下，兩個(gè)開(kāi)關(guān)根據(jù)軟開(kāi)關(guān)條件的不同，分為強(qiáng)管和弱管。設(shè)計(jì)中要根據(jù)弱管的臨界軟開(kāi)關(guān)條件來(lái)決定電感L的大?。?yàn)閷?shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)得比較高。另外電感量需要設(shè)計(jì)得很小，所需的電感體積也可以比較小(通?？梢杂肐型的磁芯)。因此，這種方案適合用于高功率密度、較低輸出電壓的場(chǎng)合。